反應工程答案精品文檔15

1、4管式反應器4.1在常壓及800 c等溫下在活塞流反應器中進行下列氣相均相反應： 在反應條件下該反應的速率方程為：式中G及G分別為甲苯及氫的濃度，mol/l ,原料處理量為2kmol/h ,其中甲苯與氫的摩爾比等于 1。若反應器的直徑為50mm試計算甲苯最終轉 化率為95%外的反應器長度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應為恒容過程，原料甲苯與氫的摩爾比等于1,即：XTVr QoCto 0dXT1.5Ctc0.5CT0 CH0,則有：CT CH CT0（1 Xt ） 示中下標T和H分別代表甲苯與氫，其中： 所以，所需反應器體積為：ccXT dXTQc)Ct0150 T0 0 1.5CT0.278 1

2、0 30.95dXT0 1.5(5.68 10 3)1.5(1Xt)1.50.4329(1 0.95)133.006m1.5 1所以，反應器的長度為:3.00620.052 3.14/41531.1m根據(jù)習題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流反應器生產(chǎn) 乙二醇，試計算所需的反應體積，并與間歇釜式反應器進行比較。解：題給條件說明該反應為液相反應，可視為恒容過程，在習題 3.2中已算出： 所以，所需反應器體積：由計算結果可知，活塞流反應器的反應體積小，間歇釜式反應器的反應體積大，這是由于間歇式反應器有輔助時間造成的。1.013 X105Pa及20c下在反應體積為 0.5m3的活塞流反應器進行

3、一氧化氮氧化反應：式中的濃度單位為 kmol/m3。進氣組成為 10%NO,1%NO%O,80%N,若進氣流量為0.6m3/h （標準狀況下），試計算反應器出口的氣體組成。解：由NO氧化反應計量方程式可知此過程為變容過程，其設計方程為：Vr p XA dXA八 CA0 c42Q00 1.4 10 CaCb（a）示中A,B分別代表NO和Q。由題意可知，若能求得出口轉化率，由（2.54）式得：便可求出反應器出口氣體組成。已知：所以，反應速率為：再將有關數(shù)據(jù)代入（A）式：30.5 14 4.159 10 341.789 10Xa0 (1(1 0.05Xa)32Xa) (3.743 2.078Xa)d

4、XA(B)用數(shù)值積分試差求得:Xa 99.7%A因此，另：本題由于惰性氣體 Nb占80%故此反應過程可近似按恒容過程處理, 也不會有太大的誤差。4.4在內徑為76.2mm的活塞流反應器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：反應壓力及溫度分別為 2.026 X 105Pa及815CO進料含50%(mol)C2H,其余 為水蒸汽。進料量等于 0.178kg/s 。反應速率方程如下：1式中pa為乙烷分壓。在815c時，速率常數(shù)k 1.0s ,平衡常數(shù) 4K 749 10 Pa ,假定其它副反應可忽略，試求：(1)此條件下的平衡轉化率；(2)乙烷的轉化率為平衡轉化率的50%外，所需的反應管長。解：(1)設下標A一

5、乙烷，B一乙烯，H一氫。此條件下的平衡轉化率可按平衡式求?。喝粢?摩爾GH為基準，反應前后各組分的含量如下：反應前 1001 2平衡時 1-X e X e X e 1 2+ X e因此，平衡時各組分分壓為: 將其代入平衡式有： 解此一元二次方程得：Xe 0.61(2)(2)所需的反應管長：首先把反應速率方程變?yōu)橐员ＷC速率方程的單位與物料衡算式相一致。已知：代入物料衡算式有其反應管長：4.5于277C, 1.013 X105Pa壓力下在活塞流反應器進行氣固相催化 反應：催化劑的堆密度為700kg/m3,在277c時，B的轉化速率為：式中的分壓以Pa表示，假定氣固兩相間的傳質阻力可忽略不計。加料組

6、成為23%B,46%A,31%Q均為重量 衿，加料中不含酯，當 入=35%寸，所需的催化劑量是多少？反應體積時多少？乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。解：由反應計量方程式知反應過程為恒容過程，將速率方程變?yōu)锽組分轉化率的函數(shù)，其中：為求各組分初始分壓，須將加料組成的質量百分比化為摩爾百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q。于是有：將上述有關數(shù)據(jù)代入設計方程：采用數(shù)值積分便可得到所需的催化劑量：W 1.01 10 kg 其反應體積為：二氟一氯甲烷分解反應為一級反應：流量為2kmol/h的純CHC1F2氣體先在預熱器預熱至 700 C,然后在一活塞 流反應器中700c等溫下反應。在

7、預熱器中 CHC1E已部分轉化，轉化率為 20%若反應器入口處反應氣體的線速度為20m/s,當出口處 CHC1F2的轉化率為40.8%時，出口的氣體線速度時多少？反應器的長度是多少？整個系統(tǒng)的壓力均為1.013 xi05Pa, 700c時的反應速率常數(shù)等于 0.97s-1。若 流量提高一倍，其余條件不變，則反應器長度是多少？解：反應歷程如下圖所示：_預熱器溫度斤;T線速度U0u轉化率Xao=0X該反應為變容過程，其中yA0由(2.50)式知：inTf=TiNinufA,inXA,f1, A 1/2由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉化率為零時的線速度: 其出口處氣體線速度為： 由設計方程計算出

8、反應器長度：那么需求出以反應器入口為基準的出口轉化率 據(jù)Xa=FalFJFa0,可求 出 FA,in =1.6kmo1/h,F Af=1.184kmo1/h,所以，XAf=(1.6-1.184)/1.6=0.26 。 因而有：這是由于反應器的截面積沒有固定，固定的是反應氣體的線速度等條件， 因此，當流量提高一倍時，而其余條件不變，則反應器的長度并不變，只 是其截面積相應增加。擬設計一等溫反應器進行下列液相反應：目的產(chǎn)物為R,且R與B極難分離。試問：(1)在原料配比上有何要求？(2)若采用活塞流反應器，應采用什么樣的加料方式？(3)如用間歇反應器，又應采用什么樣的加料方式？解：對于復合反應，選擇

9、的原則主要是使目的產(chǎn)物R的最終收率或選擇性最大，根據(jù)動力學特征，其瞬時選擇性為：由此式可知要使S最大，。越小越好，而Cb越大越好，而題意又給出 R與B極難分離，故又要求 G不能太大，兼顧二者要求：(1)原料配比，如果 R與B極難分離為主要矛盾，則除去第二個反應所 消耗的A量外，應按第一個反應的化學計量比配料，而且使B組分盡量轉化。(2)若采用PFR應采用如圖所示的加料方式，即A組分沿軸向側線分段進料，而B則在入口處進料。(3)如用半間歇反應器，應采取 B 一次全部加入，然后慢慢加入 A組分， 直到達到要求的轉化率為止。在管式反應器中400 c等溫下進行氣相均相不可逆吸熱反應，該 反應的活化能等

10、于39.77kJ/mo1。現(xiàn)擬在反應器大小，原料組成及出口轉化率均保持不變的前提下 （采用等溫操作），增產(chǎn)35%請你擬定一具體措 施（定量說明）。設氣體在反應器內呈活塞流。解：題意要求在反應器大小，原料組成和出口轉化率均保持不變，由下式：可知，Q與反應速率常數(shù)成正比，而改變反應溫度又只與k有關，所以，提高反應溫度可使其增產(chǎn)。具體值為：解此式可得：T2=702.7K。即把反應溫度提高到 702.7K下操作，可增產(chǎn)35%根據(jù)習題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應器，試計算 苯酚的產(chǎn)量，并比較不同類型反應器的計算結果。解：用活塞流反應器：將已知數(shù)據(jù)代入得：3解得：Qo 0.319m /min所

11、以苯酚產(chǎn)量為：由計算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠大于全混流反應器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式反應器的產(chǎn)量。但間歇式反應器若不計輔助時間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同（當然要在相同條件下比較）。根據(jù)習題3.9所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應器，反應溫 度和原料組成均保持不變，而空時與習題 3.9 （1）的反應時間相同，A的 轉化率是否可達到95% R的收率是多少？解：對于恒容過程，活塞流反應器所需空時與間歇反應器的反應時間相同，所以A的轉化率是可以達到 95%勺o R的收率與間歇反應器時的收 率也相同，前已算出收率為11.52%。根據(jù)習題3.14所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應器，試計算：（1）所需的

12、反應體積；（2）若用兩個活塞流反應器串聯(lián)，總反應體積 是多少？解：（1）用PFR時所需的反應體積：（2）若用兩個PFR串聯(lián)，其總反應體積與（1）相同。在管式反應器中進行氣相基元反應：A B C,加入物料 A為氣相，B為液體，產(chǎn)物C為氣體。B在管的下部，氣相為 B所飽和，反 應在氣相中進行。已知操作壓力為1.013 X 105Pa, B的飽和蒸汽壓為2.532 X 104Pa,反應溫 度340C,反應速率常數(shù)為 102吊/mol.min ,計算A的轉化率達50%寸，A 的轉化速率。如 A的流量為0.1m3/min ,反應體積是多少？解：此反應為氣相反應，從化學計量方程式看，是變容反應過程，但 氣

13、相中Pb為常數(shù)，故可看成恒容過程。假定為理想氣體，其中： 當X=50%寸，A的轉化速率為：533RA kCACB 105 4.97 10 3 0.0149 （1 0.5） 3.7kmol /m3.min33當 Q0A 0.1m /min 時 Q0B 0.1 0.2532/0.7598 0.033m /min3所以 Q0 Q0A Q0B 0.133m /min此時蘇需反應體積為：在一活塞流反應器中進行下列反應：兩反應均為一級，反應溫度下，ki=0.30min-1, k2=0.10min-1。A的進料流量 為3m7h,其中不含P和Q,試11算P的最高收率和總選擇性及達到最大收 率時所需的反應體積。

14、解：對一級連串反應可得如下關系是：Yp11 k2 / k1(1XA)k2/k1(1 Xa)(A)若求最高收率，即令:YP / X a 0 ,可得到：將(XA)m代入(A)式得最高收率：P的總選擇性：達到最大收率時的反應體積為：液相平行反應：式中a為化學計量系數(shù)。目的產(chǎn)物為Po(1)寫出瞬時選擇性計算式。(2)若a 1 ,試求下列情況下的總選擇性。(a)活塞流反應器 Cx0=G0=10kmol/m3,CAf=Gf=1kmol/m3;(b)連續(xù)釜式反應器，濃度條件同(a);(c)活塞流反應器，反應物 A和B的加入方式如下圖所示。反應物A從反應器的一端連續(xù)地加入，而 B則從不同位置 處分別連續(xù)加入，

15、使得器內處處B的濃度均等于1kmol/m3,反應器進出口處A的濃度分別為19和1kmol/m3。解：(1)設A為關鍵組分，目的產(chǎn)物 P的瞬時選擇性為：(2)若a 1 ,求下列情況下的總選擇性。(a)活塞流反應器，因為Go=G。,其化學計量系數(shù)相同，所以 Ca=G,則有Sp0.5Ca ,因此(b)連續(xù)釜式反應器SpPFR,且B側線分段進料，器內B的濃度均等于1kmol/m3,則0.5CA4.15在活塞流反應器中等溫等壓(5.065 X 104Pa)下進行氣相反應式中R為A的分壓Pa,原料氣含量 A10%(mol),其余為惰性氣體。若原 料氣處理量為1800標準m/h ,要求A的轉化率達到90%計

16、算所需的反應 體積及反應產(chǎn)物 Q的收率。解：此反應為復合反應系統(tǒng)，一般需要多個物料衡算式聯(lián)立求解，方 能解決問題。但這里三個平行反應均為一級，可簡化處理。其組分 A的總 轉化速率為： 又為變容過程:其中i 0, 23 2,所以有a 0.6875所需反應體積為：A1.一rQ1 1.777 10 5 PAYq250.5626產(chǎn)物Q的收率：Ra1.5794 10 5 Pa在充填鈕催化劑的活塞流反應器中進行苯(B)氧化反應以生產(chǎn)順丁烯二酸酊(MA：這三個反應均為一級反應，反應活化能( kJ/mol )如下：E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子(kmol/kg.h.Pa )分

17、別為A=0.2171,A 2=1.372 X 108,A3=470.8反應系在1.013 X105Pa和704K等溫進行。原料氣為苯蒸汽與空氣的混合氣，其中含苯1.8% (mol)。現(xiàn)擬生產(chǎn)順丁烯二酸酊 1000kg/h,要求其最終 收率為42%假設(1)可按恒容過程處理；(2)可采用擬均相模型。試計 算(1)苯的最終轉化率；(2)原料氣需用量；(3)所需的催化劑量。解：(1)由題意知：dCB/d (K k3)CB,解之得：或：且：解此一階線性微分方程有：已知：代入上式化簡得到：通過試差求出：XB 8345%(2)原料氣需用量。由收率定義知：YMA nMA/nB0 FMA /FB0總原料氣為

18、Ft 24.295/ 0.018 1349.75kmol /h(3)欲使紿達到83.45%,所需催化劑量由物料衡算式求得：(1)寫出絕熱管式反應器反應物料溫度與轉化率關系的微分方程；(2)在什么情況下該方程可化為線性代數(shù)方程，并寫出方程?；卮饐栴}(1), (2)時必須說明所使用的符號意義；(3)計算甲苯氫解反應C6H 5cH 3 H2 C6H 6 CH4的絕熱溫升。原 料氣溫度為873K,氫及甲苯的摩爾比為 5。反應熱 H98=-49974J/mol 。熱 容(J/mol K )數(shù)據(jù)如下：印Cp=20.786CH4: C p=0.04414T+27.87GH: C p=0.1067T+103.

19、18 C eHCH: C p=0.03535T+124.85(4)在(3)的條件下，如甲苯最終轉化率達到70%試計算絕熱反應器的出口溫度。解：(1)絕熱管式反應器反應物料溫度 T與轉化率 兄的微分方程：dTWA0(H r)TrMACptdXA(A)式中(Hr)Tr為基準溫度下的熱效應；Cpt為反應物料在基準溫度下與反應溫度T之間的熱容；WA0為組分A的初始質量分率；MA為組分A的分子量(2)如果不考慮熱容 d隨物料組成及溫度的變化，即用平均溫度及平均 組成下的熱容C 代替，則積分(A)式得：T To (Xa Xao)(B)式中：To為反應入口； Xao為初始轉化率：此時(A)式化為線性方程。當

20、 0=0時，又可寫成：(3)求絕熱溫升。已知 飛=873K,Xa0=0,A表示關鍵組分甲苯，其初始摩爾分率yA0=1/6,為計算方便將(B)式改寫成：T T0yA0( H r )T0C pt(C)此時C pt是以摩爾數(shù)為基準的。選入口T0為基準溫度，需求出反應熱(H r )873 5以轉化1mol甲苯為計算基準，則有：298(Hr )873 49974 20.786(298 873)(0.03535T 124.85)dT TOC o 1-5 h z 873 29829880468.2J / mol(0.04414T 27.87)dT(0.1067T 103.18)dT873873從基準溫度To

21、到出口溫度反應物料的平均熱容為：T7 4 -1 -1 C pt CpH2 CpCH4 CpC6H 6(D)666式中各組分熱容為各組分從基準溫度至出口溫度的平均熱容。其絕熱溫 升：yA0(Hr)8731/ 6 f0468.2C ptC pt(E)因為反應出口未知，所以需將(C),(D)及(E)式聯(lián)立試差求解得：222K(4)在(3)的條件下，當XA=0.7時，絕熱反應器的出口溫度：4.18氨水(A)與環(huán)氧乙烷(B)反應以生產(chǎn)一乙醇胺(M),二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反應如下：反應速率方程為：該反應系在等溫下進行，目的產(chǎn)物為一乙醇胺。(1)請你提出原料配比的原則，并說明理由。(2)選定一種合適的

22、反應器型式和操作方式。(3) 根據(jù)(2)的結果，說明原料加入方式。(4)反應時間是否有所限制？為什么？解：(1)若提出原料配比原則，應分析其動力學特征。這里以 B為關 鍵組分，目的產(chǎn)物M的瞬間選擇性：由此看出Ca增大時，則S也增大，無疑，相對來說 CB減少。也就是說配比 原則是：允許的條件下，盡量使 A過量。(2)根據(jù)(1)的結果，可選活塞流反應器，并使B從側線分段進料，而A從進口進料，采用連續(xù)操作，如圖所示：(3)加料方式如(2)中的圖示。(4)反應時間即停留時間有限制，因為目的產(chǎn)物 M為中間產(chǎn)物，存在最 佳收率，為達到最大收率，須控制最佳反應時間。4.19現(xiàn)有反應體積為im的活塞流反應器兩

23、個，擬用來分解濃度為3.2kmol/m 3的過氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應為一級不可 逆反應，并在86 c等溫下進行，此時反應速率常數(shù)等于0.08s-1。過氧化氫異丙苯溶液處理量為 2.4m3/min。試計算下列各種情況下過氧化氫異丙 苯溶液的轉化率。(1)兩個反應器串聯(lián)操作；(2)兩個反應器并聯(lián)操作，且保持兩個反應器的原料處理量相同，即均等于1.2 m 3/min ;(3)兩個反應器并聯(lián)操作，但兩者原料處理量之比為1: 2,即一個為 0.8 m 3/min ,另一個則為 1.6 m 3/min ;(4)用一個反應體積為2 m3的活塞流反應器替代；(5)若將過氧化氫異丙苯的濃度提高

24、到4 kmol/m3,其余條件保持不變，那么，上列各種情況的計算結果是否改變？相應的苯酚 產(chǎn)量是否改變？(6)比較上列各項的計算結果并討論之，從中你得到哪些結論？解：(1)兩個反應器串聯(lián)操作如圖示：總反應體積為：將有關數(shù)據(jù)代入即得：(2)結果同(1)。3(3)第一個反應器，Q01 0.8m /min ,3而第二個反應器，Q02 1.6m /min ,兩個反應器出口混合后：(4)用一個反應體積為2m代替，其結果同(1)(5)當C。提高到4kmool/m3時, 由XAf 1 e 可知，轉化率與C。無 關，所以，上列各種情況計算結果不變，而對苯酚產(chǎn)量：(以摩爾流量表示)說明苯酚產(chǎn)量與CA0成正比，即

25、產(chǎn)量增加。(6)從上列各種計算結果比較看出：(a)幾個PFR串聯(lián)與用一個大的PFR 只要保持二者的總體積相同，其效果是一樣的。(b)在并聯(lián)時，只要保持Vr1/Q01 V/2/Q02 ,其結果也是相同的。但Vr1 / Q01 Vr2/Q02時，其總轉 化率是下降的。(C)對一級反應最終轉化率與。無關，但目的產(chǎn)物的產(chǎn)量與CA。成正比關系。4.20在活塞流反應器中絕熱進行丁二烯和乙烯合成環(huán)乙烯反應：該反應為氣相反應，反應速率方程為：進料為丁二烯與乙烯的等摩爾混合物，溫度為440 C 0操作壓力1.013 X105Pa。該反應的熱效應等于-1.256 X 105kj/mol。假定各氣體的熱容為常 數(shù)，

26、且Cp產(chǎn)154, Cpb=85.6, C pf=249,單位為J/mol.K 。要求丁二烯的轉化率 達12%試計算(1) 空時，平均停留時間及出口溫度；(2)若改在440 c下等溫進行，重復(1)的計算；(3)440 c下等溫反應時所需移走的熱量。解：(1)此反應為絕熱變溫變容反應，空時：平均停留時間：出口溫度：T T0Xa,已知：yA0 0.5，Ca0 Cbo, a 1 2/11,并假定選入口溫度 440c為基準溫度，題給Hr為440c下的熱效應。若以1molA為基準,則：反應前 1102X A 1-X A 1-X A X A 2-X A所以，當Xa=0.12時，將數(shù)據(jù)代入并用數(shù)值積分得：1

27、38.544 100.12(10.5XA)2dXA7/138402 /713、23.16 10 exp( )(1 Xa)()713 521.5Xa713 521.5XA18.544 10 30.1268.1s(1 0.5Xa-Xa71384027133.16 107 exp()(1 Xa)2()713 521.5Xa713 521.5Xa67.5sT 273 440 521.5 0.12 775.6K在440 c下等溫反應k 3.16 107 exp( 13840/ 713) 0.117210.12(1 0.5XA)2dXA3.28.544 10 3 0.117 0(1 XA)211Z3 Z8

28、.544 10 3 0.1172( 0.5)(10.5)ln(1Xa)2(0.5)2Xa2(1 0.5)2Xa1 Xa0.120128s10.12(1 0.5XaHXaT_ 3 Z _28.544 10 3 0.117 0(1 XA)21(1 0.5) X aTZ3 Z8.544 10 3 0.1171 XA0.5ln11 Xa0.120132sT 440 273 713K(3)440c等溫反應，需移走熱量，如果忽略由于反應造成的各組分的變化所 引起的熱容量變化，則若維持等溫反應必須移走反應所放出的熱量：其中Fa6的單位為mol/h環(huán)氧乙烷與水反應生成乙二醇，副產(chǎn)二甘醇：這兩個反應對各自的反應

29、物均為一級，速率常數(shù)比k2/k1為2,原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為 20,且不含產(chǎn)物。(1)選擇何種型式的反應器好？(2)欲使乙二醇的收率最大，轉化率為多少？(3)有人認為采用活塞流反應器好，乙二醇收率高但環(huán)氧乙烷轉化率低， 故建議采用循環(huán)反應器以提高總轉化率，你認為這種建議是否可行？如果循環(huán)比。=25,并使空時與第(2)問的空時相等，則此時總轉化率及乙二 醇的收率是提高還是降低？ 解：(1)為解決問題方便，選HbO(B)為關鍵組分，環(huán)氧乙烷，乙二醇分別用A和Q表示。則乙二醇的瞬時選擇性為：分析可知欲使St必?K使Qt,即使KO過量，因而選PFR且水從反應器入口進料，而環(huán)氧乙烷從側線分段進料，

30、相對來講可使Cb更大。(2)對水，乙二醇，二甘醇(E)為連串反應，存在最大收率(對乙二醇而言)，此反應為液相反應可視為恒容過程，根據(jù)速率方程有：dCQQ 1 dCB因 CB CB0(1k2CQkGXb),Cq(A)CqoYq,故上式又可寫成:dYQ ,k2YQ1 dXBk1(1 Xb)初始條件Xb=0,Yq=0,解此一階線性常微分方程有:1YQ小 準)2 1 =(C)第10頁Yq令Xb0有:本題給原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為20,其轉化率是不可能達到這最佳轉化率的。但它告訴我們，當 C=0時，為乙二醇的最大收率，即：CAC A0CB0X B c B0( X BYq)0(D)1解：OCB0 v2

31、KXbCA0cYqCA0又因為：代入可得:nB：n a=20:1CB0,所以有CA020(E)Yq 2Xb 0.05將(E)式代入(C)式化簡后可得: 解此一元二次方程得：Xb=0.048,也就是說欲使乙二醇收率最大，關鍵組 分水的轉化率為4.8%。(3)有人建議采用循環(huán)反應器，以提高轉化率是不行的，因為增加了返混，降低了反應速率，反而使 Xb降低。如年=25時，可視為CSTR當空時 與(2)中的空時相等時，使總轉化率下降，且使乙醇收率降低。有一自催化液相反應A P,其速率方程為_.，_3,3Ra kCACPkmol /m .min 反應溫度下，k Im/kmol.min,3CA0 2kmol

32、/m每小時處理1000mol原料，其中A占99%(mol),其余為Po要求最終轉化率為 90%(D為使所需反應體積最小,采用何種型式反應器好？并算出你所選用的反應體積。(2)如果采用循環(huán)反應器，請確定最佳循環(huán)比及反應體積。(3)當循環(huán)比。二x時，反應體積為多少？(4)當循環(huán)比。=0時，反應體積為多少？解：(1)從自催化反應動力學特性可知，速率R隨CA的變化存在極大值，令:(Ra)CAk(CA0 Cp0)2kCA 0所以(Ca)CA0 C P022 0.0221.01kmol /m3或：(Xa)其最大速率:1 Ca/CA0 1 1.01/ 2 0.495A A 0.min(Ra)kCACPkCA

33、(CA0 CP0 CA) 1.01(2.02 1.01) 1.02kmol/m3故采用兩器串聯(lián)可使反應體積最小，如圖示，以極值處為兩器的分界線。第11頁所需最小總體積：Vr Vri Vr20.008 0.009 0.017m3Vf (1) XAf dX AVrFA0(1) Xai( Ra)Fa0(1XAf)XxA1dXAkCAo(1 Xa)(XA) (A)(2)如采用循環(huán)反應器，如圖示： 其基本設計式：式中B =Go/Ca0=0.01 ,為求最佳循環(huán)比，令:VrXAf一 FAO 丫X AidXA(Ra)Fa0(1)i dXAi 0Ra(xai)d(B)X Al 又因為dXAidX Af1，所以

34、(1 )XAf(1XAf(C)將式(C)代入式(B)整理得:即:X AfX AldXAkCAo(1 Xa)(Xa)X Af X Ai kCAo(1 Xai)(Xai)積分化簡后得:X Ai將ln1XalnA1 XaX Af1 代入XAf) 1(1 XAf)XAfXai(1 XAf X AiA1)(D)式，整理得:(1 XAf)_(XAf)0.01,XAf 0.9代入(E)式化簡得:Xai)(1)(1(XAf)(D)XAfy1(1 XAf)(E)試差求得：時的反應體積:(3)當循環(huán)比(4)當循環(huán)比0.410.41 ,即為最佳循環(huán)比。所以，對(A)式積分得時，即為CSTR反應體積為0時，即為PFR

35、反應體積為在常壓和2300 c下在管式反應器中進行純度為90%勺甲烷高溫熱裂解反應： 其速率方程為： 其速率常數(shù)為： 試問：第12頁(1) 若以為目的產(chǎn)物，忽略第三步反應，GH的最大收率 為多少？(2)若考慮第三步反應,GH的最大收率是否改變？(3)用圖表示各組分濃度隨空時的變化關系。(4)若改變甲烷的進料濃度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？(5)若改變反應溫度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？若提高反應溫度，C2H的收率是增加還是減少？乙快的收率是增加還是減少？解：由化學反應計量關系式可知，本反應是一個復雜的變容過程，計 算是較復雜的。但是，實際上該高溫裂解反應，為得到中間目的產(chǎn)物，通 常Xa只有百分之幾，所

36、以為便于計算和討論，本題可近似看成恒容過程。(1) 若忽略第三步，的最大收率：(2) 若考慮第三步反應，C2T的最大收率不變，與(1)相同。(3) 用圖表示各組分隨空時的變化關系，由動力學數(shù)據(jù)可導出因題中未給出原料的其他組分，現(xiàn)假定原料中不含產(chǎn)物，則最終產(chǎn)物C或H的濃度據(jù)物料衡算導出，如 C(這里假定碳的擬濃度，用 Cc表示) Cc Cao Ca 2Cb 2CdYc 1或：Ca 2，2_Cd.CA0 CA0 CA0XaYbYd因此，各組分C/Cao。的關系可據(jù)上式做出，其示意圖如下：(4)若改變甲烷的進料濃度，產(chǎn)物相對濃度分布曲線趨勢不變，但產(chǎn)物濃度的絕對量是變的。(5)若改變反應溫度，產(chǎn)物分布曲線改變。若提高反應溫度，有利于活化能大的反應，所以 GH的收率增加，而乙快收率減少。溫度為1000K的純丙酮蒸汽以8kg/s的流量流入內徑為 26mm勺活塞流反應器，在其中裂解為乙烯酮和甲烷：該反應為一